Física y TecnologíaEnergética

19 - Otras Energías: Biomasa, Geotérmica,       Mareas, Olas, …..

Flujo natural de energía en la Tierra

Núcleos radioactivos

Almacenamientoplantas

Almacenamientoagua, hielo

Combustibles fósiles Calor terrestre

Radiación Solar174 000 TW

Radiación conlongitud de

onda corta (UV,vis)

Radiación conlongitud de

onda larga (IR)

Reflexión52 000 TW

Conversión directa en Calor82 000 TW

Evaporación,precipitación40 000 TW

Viento, olas, corrientes370 TW

Fotosíntesis40 TW Animales

Tierra

Conducción32 TW

Convecciónvolcanes, aguas termales

0,3 TW

Mareas, corrientes3 TW

GravitaciónSol y Luna

Fotosíntesis

• En las hojas de las plantas se fabrican Hidratos de Carbono6 CO2 + 6 H2O + luz C6H12O6 + 6 O2

• La reacción de fotosíntesis es muy compleja– Son necesarios varios fotones– La luz es absorbida por varios pigmentos (clorofila)

• La respiración es el proceso contrario– Se queman los hidratos generando CO2

• La eficiencia energética del proceso de conversión Energía luminosa —> Energía químicapor fotosíntesis es de un 6% como máximo

– En la práctica considerando el año completo 1-2%• El máximo potencial de producción neta de biomasa vegetal es de 71 gr /m2.día.

– Se producen 106 gramos por fotosíntesis– Se consumen 35 gramos en la respiración

• Se puede acumular cada año 1 MJ /m2. en forma de biomasa• Los animales

– Obtienen energía de las plantas– No consumen la totalidad de la energía

Energía en la biomasa

Fuentes posibles de energía• Bosques

– Madera, leña...• Residuos agrícolas

– Tallos, partes leñosas, hojas secas…..• Residuos ganaderos

– Estiércol• Residuos industria alimentaria

– Restos de olivas para aceites, orujos, melazas de caña de azucar o de remolacha• Cultivos específicos

– Caña de azucar, maiz, nabos, sorgo• Residuos sólidos urbanos

– Papel 50%, restos comida 20%, madera 3%, vidrio 12%, plástico 8%, metal 7%

Uso energético• Central térmica con turbina de vapor• Obtención de combustibles

– Gas natural CH4. , Alcoholes, Aceites (biodiesel)

Obtención de Combustibles

Biomasa

Procesado de la materia prima

Conversión Termoquímica Conversión Bioquímica

Bioalcohol BiodieselPirólisis Gasificación Licuefación

Syn-oil Syn-gas Productos

Bioquimicos

Biogas

Metano

Obtención termoquímica de Gas

Calor+

Vapor de agua

Obtención Bioquímica de Gas

líquido

residuos

gas

La fermentación anaeróbica de residuosorgánicos produce metano CH4.

• Se puede emplear en turbinas de gas demayor eficiencia que las de vapor

• Se produce de forma natural, pero puedeintensificarse hasta 50-70% del C

• Puede sustituir al Gas Natural cuando seagoten las reservas

• Se pueden emplear todo tipo de residuosorgánicos: ganaderos, urbanos,industriales..

Combustibles para el transporte

Bio-combustibles

BIOALCOHOL

BIODIESEL Trigo PatatasCañaMaiz

GirasolPalmaSojaColza

Bioalcohol• La fermentación de los azúcares por

bacterias produce alcoholes. C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

• Se convierte en alcohol el 3 - 12 %• El proceso completo de obtención

consume energía– Cultivo, recolección, trituración.

fermentación, destilado,– Es posible tener una ganancia entre

5 y 7, o tener perdidas netas deenergía.

• Puede usarse como combustible enmotores de explosión

– Gasohol. Mezclado al 10% congasolina

– Puro ( hay que adaptar el motor )• En Brasil el 30% de los coches funcionan

con etanol y metanol, obtenidos de lacaña de azucar

• Pueden producirse 2000 litros de alcoholpor hectárea al año ( caña, maiz, uva… )

Biodiesel• El combustible biodiesel se obtiene por transesterificación de las grasas animales y aceites vegetales.

grasas, aceites glicerina + monoalkil esteres (biodiesel)• El proceso industrial es una reacción de las

grasas con metanol catalizada por medio de sosa o potasa caústica. Recuperándose el aceite sobrante y los catalizadores, así comola glicerina

• Puede usarse como combustible en motoresdiesel, puro o mezclado con gasoil, conprestaciones superiores a las del gasoil puro.

• Es algo menos contaminante que losderivados del petróleo. Es biodegradable.

• No dura almacenado más de 6 meses• En EEUU se producen actualmente más de 150 Mlitros al año• Dependiendo del origen de grasas y aceites puede obtenrse más energía o no, de la que se consumió

en la obtención de esas grasas y aceites

Energía de la biomasa en España

Uso en el 2004 Objetivos del PER

Biocarburantes en EspañaPlantas de Producción (2007)

Produccióntoneladas al año640 000biodiesel350 000bioetanol

Más baratos quelos derivados delpetróleo ya queestán libres delimpuesto dehidrocarburos

Representa el0,53% delconsumo depetróleo

Objetivos del Plan de Energías Renovables

Biogas

Biocarburantes

Energía de la BiomasaSupone el 18% del consumo mundial de energía

– 35% en paises en vías de desarrollo, 4% en USA y 2% en Europa

Ventajas• Es renovable y barata. Se puede dar uso a residuos.• Si es el único combustible, hay equilibrio en el CO2 atmosférico: lo que se

emite al quemarlos equivale a lo que absorbieron los vegetales iniciales .

Inconvenientes• La combustión genera contaminación atmosférica: CO, NOx, SOx…….

– Generalmente menos que los fósiles ( no contiene S, genera menos hollín )– Puede ser notable en el caso de residuos urbanos e industriales

• Si se cultiva intensivamente, no es tan renovable ni barata y puede no serenergéticamente rentable.

• Los usos energéticos pueden competir con los alimentarios

Energía Geotérmica

El interior de la tierra está muycaliente debido a

• Compresión adiabática• Calor procedente de:

- Radioactividad U, Ra,Th- Cambio de fase líquido-

sólido- Temperatura original en la

formación del planeta.- Impacto de meteoritos- Mareas interiores

Energía Geotérmica

Magma 1500 K

Corteza

• En general la temperatura cerca de lasuperficie aumenta 30ºC con cada km deprofundidad

• En los bordes de las placas continentales, enlos “centros calientes” , y en las fallas esposible encontrar temperaturas de 1200ºCmuy cerca de la superficie

• Se puede emplear la energía geotérmica extrayéndola de—Aguas termales naturales—Chorros naturales de vapor ( Geyser )—Gradiente geotérmico normal

Existen temperaturas que superan los 200ºC a profundidadessuperiores a los 5 km Se inyecta agua y seobtiene vapor que mueve turbinas

—Magma fundidoTemperaturas elevadas ( alta eficiencia para producirelectricidad) pero problemas técnicos serios

Energía Geotérmica

Actualmente sólo se emplea• Aguas termales naturales

– Balnearios– En Islandia calefacción de los edificios

• Generación eléctrica con vapor geotérmico– Italia, USA, Japón �, N.Zelanda

Ventajas• Podría ser limpia y barata en determinadas zonas• Es renovable

Inconvenientes• En la práctica no es ni limpia ni barata

– Contaminación con S– Corrosión del equipamiento

• No es tan “renovable”• Están muy poco desarrolladas sus posibles aplicaciones

Zonas de Europa donde podría explotarse

Energía térmica del Oceáno

Bomba

Turbina

Generador eléctrico

Vapor deamoniaco

Amoniacolíquido

Condensador Evaporador

Aguacaliente

25ºC

Aguafría5ºC

• Entre la superficie calentada por el sol y el fondo oceánico existen diferencias detemperatura de 25ºC en el ecuador y 10ºC para nuestra latitud

• Esta diferencia de temperaturas puede emplearse para mover una máquina térmica

•La eficiencia de Carnotsería 7%, en la práctica2.5 %•Si queremos producir100 MW necesitamosun caudal de unos25 Mlitros/s de aguafría y caliente( tuberías de 15 m dediámetro )

Energía térmica del Oceáno

Entrada deagua caliente

Salida deagua caliente

Entrada deagua fría(sifón)

Salida deagua fría

• En 1930 instalación de 22 kW en Matanzas(Cuba ), consumía más energía de la queproducía

• 1970 . Proyecto de 100 MW en Hawaii.Nunca llegó a construirse. Siguefuncionando un centro de investigación

• 2001 Se construye una planta de 1 MW enla India con ΔT = 20ºC

• Es necesario hacer circular el aguafría y caliente

• El agua fría se puede hacerascender por efecto sifón

Zonas de mayor diferencia de Temperaturas

En la mayor parte de los oceános la eficiencia térmica sería muy baja

Energía de las Mareas

TurbinaCompuerta

• La atracción gravitatoria de la Luna y el Sol generan diferencias de altura del nivel del mar de hasta10 m con un periodo de 12,5 h•Estas diferencias de altura pueden emplearse como energía hidroeléctrica

Empleando las subidasy bajadas de la marea,pueden ponerse lasturbinas enfuncionamiento 4veces al día

Energía de las corrientes de marea• También pueden instalarse turbinas queaprovechen las corrientes de marea sinalterar demasiado el tráfico marítimo niel ecosistema

Mareasen el

mundo

Energía de las mareas

Actualmente funcionan:• Desde 1967 La Rance (Francia) 240 MW• Desde 1969 Mar Blanco (Rusia) 1 MW• Desde 1984 Annapolis (Canadá) 18 MW Ventajas

•Es barata e inagotable

Inconvenientes•Es intermitente, aunque periódica•Para que sea eficiente hay que cerrar unabahía, estuario o ría.•Perturba el ecosistema marino•No produciría grandes cantidades

–Usando los lugares más favorable seproduciría unas 50 veces menos que con lahidroeléctrica convencional

Energía de las Olas• El viento genera olas en mares y océanos que alcanzan la costa llevando una energía que puedealcanzar valores de 100 kW/m de frente de ondas.

• Las olas son más constantes y predecibles que el viento

60

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30

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15

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Energía en las olas ( kW/m de frente de ondas)

Energía de las Olas. Prototipos

Turbina

Barcaza

Se comprime aire para hacer funcionar una turbina

Las olas al retirarse succionanel aire

La turbina Wells gira en el mismo sentidoindependientemente del movimiento del aire

Las olas al entrar empujanal aire

Energía de las Olas. Prototipos

Se emplea el movimiento de subida-bajadadirectamente o se convierte en rotación

Tipo boya

Tipo pato

El pato girasegún pasa la ola

Energía de las olas en España

Iberdrola ha instalado en Santoña 10 generadores tipoboya con una potencia total de 125 kW.

En el dique exterior del puerto de Mutriku se estáinstalando un generador por compresión del aire de 480kW de potencia total

Se podrían instalar en el Cantábrico 100 MW

Energía de las Olas

•Hay numerosos proyectos de investigación y prototipos funcionando,pero ninguna planta de producción.

•Su uso podría ocupar grandes extensiones de costa

•Deben ser sistemas los suficientemente ligeros para aprovechar las olaspequeñas y lo suficientemente robustos para resistir los temporales

•Se estima que se podría producir electricidad a un precio competitivo conlos métodos convencionales

•Se deben minimizar los efectos visuales y sobre el ecosistema. No puedeinterferir ni con la pesca ni con la navegación

Estado actual de las tecnologías renovablesGeneración de electricidad, usos térmicos y transporte

Tecnología Coste de inversión($/kW)Coste de producción

Actual (c$/kWh) Futuro (c$/kWh)

Energía de la BiomasaEnergía EólicaEnergía Solar FotovoltaicaEnergía Solar TermoeléctricaEnergía HidroeléctricaEnergía MinihidroeléctricaEnergía GeotérmicaEnergía Marina

Energía de la BiomasaEnergía Solar TérmicaEnergía Geotérmica

Biocombustibles

900 – 3.0001.100 – 1.700

5.000 – 10.0003.000 – 4.0001.000 – 3.5001.200 – 3.000 800 – 3.0001.700 – 2.500

250 – 750500 – 1.700200 – 2.000

5 – 15 5 – 13

50 – 1258 – 152 – 8

4 – 10 2 – 10 8 – 15

1 – 53 – 200,5 – 5

8 – 25 $/GJ

4 – 10 3 – 10 5 – 25 4 – 103 – 8

3 – 101 – 8

8 – 15

1 – 52 – 100,5 – 5

6 – 10 $/GJ

Fuente: Informe Mundial de la Energía 2000

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( Gasoil 5 -10 $/GJ )